С помощью нанесения на поверхность стекла текстуры в виде «нанотравы» материаловедам удалось сделать его одновременно и мутным, и пропускающим свет в широком диапазоне длин волн. Мутность такого стекла можно переключать, пропитывая текстуру стекла водой. По утверждению авторов опубликованной в Optica статьи, такие стекла будут полезны для использования в солнечных батареях и светодиодах.

Чтобы повысить эффективность стеклянных элементов в оптоэлектронных устройствах, ученые пытаются совместить два чуть ли не взаимоисключающих свойства: пропускание света (для увеличения степени преобразования энергии) и повышенной мутности (для увеличения количества рассеянного света и площади его поглощения на поверхности солнечной батареи). Как правило, рассеяние света из-за мутности стекла приводит к тому, что большая часть света просто отражается и не проходит сквозь стекло, поэтому задача сделать такой материал, в котором свет рассеивается, но все равно проходит сквозь него, до сих пор остается актуальной.

Группа материаловедов из Питтсбургского университета под руководством Пола Леу (Paul W. Leu) разаработала методику, позволяющую получать стекло, одновременно мутное и пропускающее свет. Для этого авторы работы с помощью травления покрыли поверхность кварцевого стекла «нанотравой» (nanograss) — массивом близкорасположенных цилиндрических наностержней. Диаметр отдельных нанотравинок составлял от 100 до 200 нанометров, а их длину химики варьировали от 0 до 8,5 микрон. Измерения коэффициента пропускания света и мутности были проведены для света длиной волны от 250 до 1200 нанометров, для всех основных экспериментов авторы работы использовали монохроматический пучок света длиной волны 550 нанометров — в середине видимого диапазона.

Микрофотографии поперечных сколов стекла с нанотравой различной длины
Микрофотографии поперечных сколов стекла с нанотравой различной длины

Оказалось, что коэффициент пропускания в зависимости от длины нанотравы ведет себя немонотонно. Так, стекло с гладкой поверхностью пропускает примерно 93 процента падающего на него света, но при увеличении длины травинок до 2,5 микрон коэффициент пропускания увеличивается до 97 процентов, после чего вновь начинает падать. Мутность же стекла повышается монотонно: если для стекла без поверхностной текстуры она равна нулю, то для травинок длиной больше 6 микрометров стекло становится абсолютно мутным. Что интересно, даже для самого мутного стекла коэффициент пропускания света при этом может быть и около 90 процентов.

Зависимость коэффициента пропускания света длиной волны 550 нанометров (голубые символы) и мутность стекла (оранжевые символы) в зависимости от длины нанотравинок
Зависимость коэффициента пропускания света длиной волны 550 нанометров (голубые символы) и мутность стекла (оранжевые символы) в зависимости от длины нанотравинок

При этом для травинок длиной около 3-4 микрон и коэффициент пропускания, и мутность превышают 95 процентов. Для объяснения таких необычных свойств предложили модель, которая связывает механизм рассеяния света на поверхностной нанотекстуре с увеличением мутности и снижением доли отраженного света.

Помимо необычной комбинации мутности и пропускания, такое стекло может переключать свою мутность с помощью растворителей с близким по значению коэффициентом преломления. Если нанотекстуру самого мутного пропитать нужной жидкостью (это может быть, например, вода), то механизм рассеяния поменяется, и стекло станет практически полностью прозрачным. После испарения жидкости с поверхности стекло возвращает свою изначальную мутность.

Стекло, покрытое нанотравой длиной 6 микрон, сразу после смачивания водой и через 80 секунд, когда вся вода с поверхности испарилась
Стекло, покрытое нанотравой длиной 6 микрон, сразу после смачивания водой и через 80 секунд, когда вся вода с поверхности испарилась

Авторы работы отмечают, что сейчас для того, чтобы изменить мутность стекла, обычно необходимо приложить к нему электрическое напряжение. Предложенный способ изменения прозрачности не требует ничего, кроме воды. Поэтому такое стекло может оказаться полезным не только для электронных устройств, но и, например, для создания умных окон, которые при необходимости становятся непрозрачными.